EL ACERO
El ACERO,
como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación
de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar hasta el 2% de
carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener
también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con
lo que aumenta su dureza y su flexibilidad.
En las
décadas recientes, los ingenieros y arquitectos han estado pidiendo
continuamente aceros cada vez más sofisticados, con propiedades de resistencia
a la corrosión, aceros mas soldables y otros requisitos. La investigación
llevada a cabo por la industria del acero durante este periodo ha conducido a
la obtención de varios grupos de nuevos aceros que satisfacen muchos de los
requisitos y existe ahora una amplia variedad cubierta gracias a las normas y
especificaciones actuales.
Las
propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas
dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del
tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres
sustancias, Ferrita, Perlita y Cementita.
La Ferrita,
blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos
en disolución.
La
Cementita, es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es
de gran dureza y muy quebradiza.
La Perlita: es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una
estructura característica, sus propiedades físicas con intermedias entre las de
sus dos componentes.
La resistencia
y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las
proporciones de estos tres ingredientes, cuanto mayor es el contenido en
carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita:
cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por compuesto de perlita. El
acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y
cementita.
PROCESO DE
FABRICACIÓN DEL ACERO
El proceso
de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase
de afino.
Fase de
fusión
Una vez
introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes
(principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los
electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir
completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la
capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.
Fase de
afino
El afino se
lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un
horno cuchara.
En el primer
afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación
de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y
realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de
ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel,
molibdeno, vanadio, titanio, etc.).
El acero
obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario,
que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de
ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la
siguiente fase en el proceso de fabricación.
El control
del proceso
Para obtener
un acero de calidad el proceso debe controlarse en todas sus fases empezando,
como ya se ha comentado, por un estricto control de las materias primas
cargadas en el horno.
Durante el
proceso se toman varias muestras del baño y de las escorias para comprobar la
marcha del afino y poder ir ajustando la composición del acero. Para ello se
utilizan técnicas instrumentales de análisis (espectómetros) que permiten
obtener resultados en un corto espacio de tiempo, haciendo posible un control a
tiempo real y la adopción de las correcciones precisas de forma casi
instantánea, lográndose así la composición química deseada. Los dos elementos
que más pueden influir en las características y propiedades del acero obtenido,
el carbono y el azufre, se controlan de forma adicional mediante un aparato de
combustión LECO. Pero además de la composición del baño y de la escoria, se
controla de forma rigurosa la temperatura del baño, pues es la que determina
las condiciones y la velocidad a la que se producen las distintas reacciones
químicas durante el afino.
La colada
continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte
directamente en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene
la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar.
La artesa
receptora tiene un orificio de fondo, por el que distribuye el acero líquido en
varias líneas de colada, cada una de las cuales dispone de su lingotera o
molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeración
con agua, que sirve para dar forma al producto. Durante el proceso la lingotera
se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con el fin de despegar la
costra sólida que se va formando durante el enfriamiento.
Posteriormente
se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio de duchas de agua
fría primero, y al aire después, cortándose el semiproducto en las longitudes
deseadas mediante sopletes que se desplazan durante el corte.
Finalmente,
se identifican todas las palanquillas con el número de referencia de la colada
a la que pertenecen, como parte del sistema implantado para determinar la
trazabilidad del producto, vigilándose la cuadratura de su sección, la sanidad
interna, la ausencia de defectos externos y la longitud obtenida.
La
laminación
Las
palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en
productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente.
De forma
simple, podríamos describir la laminación como un proceso en el que se hace
pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a
la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su sección transversal
gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se aprovecha la
ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto
mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se realice a
temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC, al inicio del proceso, y 800 ºC al
final del mismo.
La
laminación sólo permite obtener productos de sección constante, como es el caso
de las barras corrugadas.
ENSAYOS MECÁNICOS DEL ACERO
Los ensayos
mecánicos caracterizan la capacidad de los materiales de reaccionar a la
deformación o rotura por solicitación de acciones externas. Caracterizaremos 3
tipos:
estáticos
(aplicación lenta y gradual de la carga)
dinámicos
(aplicación por golpe)
periódica
(variable en magnitud y dirección
1. Ensayos de tracción (estáticos)
Aceros
ordinarios
Mide la
tenacidad y plasticidad del material. Consiste en el estiramiento de una
probeta normalizado mediante carga axil y conjuntamente se va dibujando una
gráfica llamada diagrama de tensiones. Se destacan en el ensayo para barra lisa
y acero ordinario tres etapas definidas:
límite de
proporcionalidad (comportamiento elástico)
límite de
fluencia (cedencia)
límite de
tenacidad (estricción y rotura).
La
plasticidad del material se manifiesta en el alargamiento relativo (d) y en la estricción del área (e).
Alargamiento
de rotura dr = L1 - L0 / L0 x 100
Estricción de rotura er = F0 - F1 / F0 x 100
L0 y F0 =
dimensiones iniciales.
L1 y F1 =
dimensiones después de la rotura.
La relación
f = P / F0 nos indica los valores tensionales en los puntos relevantes del
diagrama.
La capacidad
del material de oponerse a su deformación por acciones externas se denomina
módulo de elasticidad y se representa por la letra E. Su valor es el del ángulo
(a) que forma la gráfica en su período
elástico con el eje de los alargamientos y se expresa en kg/cm2. Cada material
tiene un valor determinado de E que lo caracteriza.
Ensayo de
fatiga (periódico):
Las acciones
actuantes sobre el material adoptan cíclicamente valores extremos, lo que va
determinando en el período elástico acumulación de deformaciones residuales por
aplicación de cargas previa recuperación elástica.
Este
fenómeno denominado Histéresis produce la rotura de la pieza por fatiga (acumulación
de esfuerzo de la misma). Se ejecuta mediante rotación de la probeta (
5.000.000 de ciclos).
Ensayo de
fluencia:
Consiste en
la deformación gradual de tamaño y forma con esfuerzos generalmente bajos. Se
realiza por calentamiento de la probeta y aplicando cargas.
ALEACIONES
Debido a que
las aleaciones han venido ganando un gran campo de acción en la Ingeniería,
podíamos conocer las propiedades que caracterizan a cada tipo de aleación. La
resistencia no es la única característica que nos permite decidir si el
elemento tendrá un desempeño óptimo. Un desempeño satisfactorio depende también
de la densidad, la resistencia a la corrosión y los efectos de la temperatura,
así como también de las propiedades eléctricas y magnéticas. Como ejemplo consideremos
algunas partes para las cuales son especialmente apropiadas ciertas aleaciones.
Aleaciones
de aluminio: partes de aviones (alta resistencia en la relación con su peso)
Aleaciones
de magnesio: fundiciones para aviones (compite con el aluminio)
Aleaciones
de cobre: alambres eléctricos (alta conductividad)
Aleaciones
de níquel: partes para turbinas de gas (alta resistencia a temperaturas
elevadas).
Encontramos
que más del 95% en peso de los metales de ingeniería, utilizados en los Estados
Unidos cada año son aleaciones basadas en aluminio, magnesio, cobre hierro y
níquel. De hecho, más del 85% es de la familia basada en el hierro y, a pesar
de que los porcentajes para las aleaciones de magnesio y níquel son pequeños,
estas tienen gran importancia y sería conveniente conocer algunas de las
características principales de algunos tipos de aleaciones.
ALEACIONES
MARTENSITICAS
Contienen de
12 a 20% de cromo con cantidades controladas de carbono y otros aditivos. El
tipo 410 es un miembro característico de este grupo. Esas aleaciones se pueden
endurecer mediante el tratamiento térmico, con un aumento en la resistencia a
la tracción de 550 a 1380 MPa (80000 a 200000 lbf / in2 ). La resistencia a la
corrosión es inferior a la de los aceros inoxidables austeniticos y los aceros
martensíticos se utilizan en general en ambientes ligeramente corrosivos
(atmosférico, agua dulce y materiales orgánicos).
ALEACIONES
INOXIDABLES VACIADAS
Se utilizan
mucho en bombas, válvulas y accesorios. Esas aleaciones vaciadas se designan
según el sistema de Alloy Casting lnstitute (ACI). Todas las aleaciones
resistentes a la corrosión tienen la letra C más otra letra (A a N) que denota
el contenido creciente de níquel. Los números indican el contenido máximo de
carbono. Aunque se puede hacer una comparación aproximada entre los tipos ACl y
Los AISI, las composiciones no son idénticas y los análisis no se pueden
utilizar en forma intercambiable. Las técnicas de fundición requieren un
rebalanceo de las composiciones químicas forjadas. Sin embargo, la resistencia
a la corrosión no se ve afectada por esos cambios de composición.
Los miembros
característicos de este grupo son CF- similar al acero inoxidable tipo 304;
CF-8M, similar al tipo 316 CD-4M Cu, que tiene una resistencia mecánica al ácido
nítrico, al sulfúrico y al fosfórico. Un acero PH usual que contiene 17% Cr, 7%
Ni 1.1% Al tiene una resistencia elevada, buenas propiedades ante la fatiga y
buena resistencia al desgaste. Un número elevado de estos aceros, con
composiciones variables, se encuentran disponibles comercialmente. En forma
esencial contienen cromo y níquel con agentes agregados de aleación como cobre,
aluminio, berilio, molibdeno, nitrógeno y fósforo.
ALEACIONES
MEDIAS
Un grupo de
aleaciones en su mayor parte patentadas, con una resistencia ligeramente mejor
a la corrosión que la de los aceros inoxidables se denominan aleaciones medias.
Uno de los miembros más populares de este grupo es la aleación 20, producida
por ciertas compañías con diversos nombres comerciales. La aleación 20 se
desarrollo originalmente para satisfacer la necesidad de un material con una
resistencia al ácido sulfúrico superior a la de los aceros inoxidables.
Estas
aleaciones tienen una aplicación muy amplia en los sistemas de ácido sulfúrico.
Debido a su alto contenido de níquel y molibdeno tienen mayor tolerancia a la
contaminación por el ion cloruro que los aceros inoxidables estándares. El
contenido de níquel disminuye el riesgo de fractura debido a la corrosión por
esfuerzo. El molibdeno mejora la resistencia a la corrosión por grieta y a las
picaduras.
ALEACIONES
ALTAS
El grupo de
materiales que se denominan aleaciones altas contienen porcentajes
relativamente grandes de níquel. El Hastelloy B-2 contiene 61% Ni, y 28% Mo.
Existen en la forma forjada y vaciada. El endurecimiento por trabajo presenta
ciertas dificultades de fabricación y el maquinado es un poco más difícil que
para el acero inoxidable del tipo 316. Se pueden utilizar métodos tradicionales
de soldadura. La aleación tiene una resistencia desacostumbrada alta a todas
las concentraciones de ácido clorhídrico.
El Coloriste
2 tiene 63% Ni y 32% Mol y se asemeja al Hastelloy B-2. Existe sólo en forma
vaciada, principalmente en válvulas y bombas. Se trata de una aleación dura,
muy resistente a los choques mecánicos y térmicos. Se puede labrar con
herramientas de punta de carburo y soldar con técnicas de arco metálico.
ESTRUCTURA
DEL ACERO
Las
propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas
dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el
hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una
mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y
dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en
disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono
aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda
mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura
característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos
componentes.
La
resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de
las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en
carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita:
cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de
perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de
perlita y cementita.
PROPIEDADES
MECÁNICAS DEL ACERO
Resistencia
al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar
cuando está en contacto de fricción con otro material.
Tenacidad.
Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras
(resistencia al impacto).
Maquinabilidad.
Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por
arranque de viruta.
Dureza. Es
la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades
BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.
FLEXIÓN POR
CHOQUE DE METALES NO FERROSOS
Los metales
y aleaciones no ferrosas pueden o no coincidir con las características de
transición dúctil-frágil correspondientes a los aceros y sus aleaciones.
El cinc, que
de acuerdo a normas se ensaya en flexión por choque entre –20° y +40° C,
presenta a bajas temperaturas muy pequeña resiliencia, la que se eleva
considerablemente para valores ligeramente superiores a la del ambiente. Sin
embargo, aumentando la temperatura, tiene tendencia a disminuir su capacidad de
absorber energía; esta característica es de importancia si se tiene en cuenta
que la disminución de la ductilidad puede corresponder a temperaturas de uso
del material.
El
comportamiento del cobre, aluminio y sus aleaciones bajo efectos dinámicos de
impacto, resulta distinto al de los aceros y el cinc, pues la disminución de la
temperatura acrecienta ligeramente la ductilidad.
En el níquel
y sus aleaciones el aumento de la resiliencia es de importancia, al disminuir
la temperatura y sólo para valores muy bajos de ésta se produce una ligera disminución
de la energía de rotura.
El aumento
de la tenacidad con la disminución de la temperatura, tiene lugar en los
metales que presentan estructura cristalina correspondiente al sistema cúbico
de caras centradas.
FLEXIÓN POR
CHOQUE DE COBRE Y ALEACIÓN (ASTM 260)
Materiales:
Cobre electrolítico y aleación ASTM 260 (Cu = 70 %;Zn = 30 %)
Método:
Izod.
El cobre y
los llamados latones monofásicos, como el ensayado (figura 16) son ejemplos
típicos de metales de estructura cúbica de caras centradas. Se verifica el
aumento de la energía al disminuir la. temperatura y la carencia del período de
transición dúctil-frágil en el rango de temperaturas de ensayos.
Además, la
aleación obtenida con Zn presenta un aumento de la tenacidad por incremento de
la energía a igual temperatura, con respecto al cobre electrolítico.
Ensayo de
Choque:
Dentro de
los ensayos de choque encontramos dos tipos usualmente utilizados para
determinar la resiliencia de un material.
El principio
de funcionamiento de la máquina utilizada es el que se demuestra en la ,
donde una masa o peso “G” asegurado a una barra que puede girar sobre un eje
“O”, es elevado a una altura H1, desde su posición vertical de reposo, lo que
también el posible indicador con el ángulo a1, en estas condiciones se deja
caer y en el punto P, ubicada sobre la vertical de desplazamiento de péndulo,
se coloca una barra de un material determinado.
El ensayo
dinámico se realiza en una máquina conocida como péndulo o martillo pendulante,
para realizar el ensayo se coloca la probeta en una mordaza y depende del
método a utilizar se golpea la probeta, provocando en la mayoría de los ensayos
una rotura con la característica de poseer rotura por tracción y por corte. Los
valores obtenidos por estos ensayos, son únicamente comparables, en materiales
con propiedades similares, ya sean dúctiles o frágiles, cuando se realizan
sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas condiciones de ensayo.
En
diferencia en el método IzoD y Charpy es que en este último se utiliza un
martillo de pena con la cara redonda, y en IzoD se usa la cara opuesta del
martillo.
El trabajo
obtenido por la probeta se llama resiliencia, y es válido solo cuando la
probeta se rompe de un solo golpe. La resiliencia se calcula según el volumen o
la sección y según el método que estemos utilizando.
Probetas:
En el método
de Charpy se usan probetas entalladas aprobada por ISO con las dimensiones
mostradas en las figuras siguientes.
Forma de las
probetas en Charpy y su entalla
Todas las
probetas tienen una entalla que es una muesca, la cual se ubica en el extremo
de las mordazas, que sirve principalmente para ubicar la rotura ya que la zona
de deformaciones se ubican cercanas a ellas.
ENSAYOS
REALIZADOS EN EL LABORATORIO
Primer
ensayo: El primer ensayo que se realizo fue un ensayo de Charpy, y se realzo
sobre un SAE 1060 de grano Fino.
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga
inicial = 5,6 kgm
Energía
absorbida = 1,8 kgm
K = (1,8
Kgm) : 0,8 cm2 = 2,25 Kgm/cm2
Segundo
ensayo: El segundo ensayo se realizo sobre el mismo acero que el ensayo
anterior y se utilizó el método IzoD
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga
inicial = 5,6 kgm
Energía
absorbida = 1,3 Kgm
K = (1,3
Kgm) : 0,8 cm2 = 1,62 Kgm/cm2
Tercer
ensayo: El tercer ensayo fue un Ensayo de tracción dinámica y se realizo sobre
la probeta proveniente de un barril de plástico para material de exportación.
Vol. = 3,04
cm3
E = 80 mm
A = 10 mm
K = (2,3
Kgm) : 3,04 cm3 = Kgm/cm3
EL PROCESO
SIDERÚRGICO
Se denomina proceso siderúrgico, a la serie de
pasos consecutivos que nos transformarán una materia prima como el mineral del
hierro, y el carbón de coque, hasta un producto final como el acero.
El hierro
con el carbón, se quema en los altos hornos, para que se cree el acero:
Un alto
horno, es lo que se muestra a continuación.
MIS VIDEOS
EL ACERO
MATERIA PRIMA
